Anordnung zur Vermeidung unzulässig hoher Kurzschlusslichtbogenenergie in elektrischen Anlagen Durch den ständig wachsenden Verbrauch elek trischer Energie ist eine Verdichtung der Netze und eine Erhöhung der Anzahl der Umspann- und Schalt stationen erford'erl'ich geworden.
Das hat zur Folge, d'ass sich die Kurzschlussleistung in den einzelnen An lagen ebenfalls erhöht und bei Fehlern hohe Licht- bogenstTöme auftreten, die eine starke Gefährdung der Anlage und des Bedienungspersonals bedeuten.
Man ist bisher den Weg gegangen, die Auswir kung von Störlichtbögen durch die konstruktive Ge staltung der Schaltzellen und Anlagen zu verringern, doch ist bei sehr hohen Kurzschlussströmen der damit verbundene Aufwand wirtschaftlich nicht mehr trag bar. Auch verkleinern diese Massnahmen nicht die Lichtbogenenergie selbst, sondern wirken nur seinen schädlichen Folgen entgegen.
Man hat fernerhin versucht, die Ursache von Kurzschlusslichtbögen zu vermindern durch den Ein satz von Scha-ltfehlerschutzgeräten und anderen Hilfs- mitteln, doch ist es nicht möglich, dadurch sämtliche Fehlermöglichkeiten, die zu einem Kurzschlusslicht- bogen führen können, zu beseitigen.
Kurzschlüsse, die durch Isolatoren- und Materialfehler sowie durch Überspannungen eingeleitet werden, lassen sich nie völlig vermeiden.
Es bleibt deshalb nur die Möglichkeit, den einmal gezündeten Lichtbogen unmittelbar im Entstehen zu löschen. Die im Lichtbogen umgesetzte Energie ist das Produkt aus der Lichtbogenspannung, dem Licht bogenstrom und der Brenndluer:
<I>A =</I> UL <I>'</I> JK <I>' t</I> (KW-sec.) Um das Produkt und damit die Lichtbogenenergie klein zu halten, ist zumindest einer der Faktoren un mittelbar dem Wert Null zuzuführen. Nun kann der Faktor ML dadurch verringert werden,
dass parallel zu den Brennpunkten des entstehenden Lichtbogens ein Widerstand eingeschaltet wird, der sehr viel klei ner ist Tals der Lichbogenwidferstand. Früher gemachte Vorschläge, Anlagenteile durch vor- oder nach geordnete Hauptschalter kurzzuschliessen, konnten nicht befriedigen,
da solche Schalter im allgemeinen Einschaltzeiten von mehr als 150 msec aufweisen, so dass einschliesslich der Relaiszeiten für die An regung der Kurzschlusslichtbogen erst nach min- destens 200 msec gelöscht wäre.
Innerhalb einer solchen Zeit kann aber ein Kurzschluss bereits durch Selektävschutz und Leistungsschalter abgeschaltet werden, wobei von der Anregung bis zur völligen Abschaltung von etwa<B>100</B> ursec erreich bar sind.
Die neue Anordnung vermeidet unzulässig hohe Kurzschlusshchtbogenenergie zwischen .den. Leitern untereinander oder dien Leitern und Erde in elek trischen Anlagen dadurch,
d'ass eine Schaltvorrich- tung in. Abhängigkeit von einer durch einen Licht- bogenkurzschluss beehiflussten Messvorrichtung die betroffenen Leiter innerhalb dreier Halbwellen dies Lichtbogenstromes derart überbrückt, dass das Erlöschendes Lichtbogens erfolgt.
Diese überbrückung kann den Kurzschlussstrom in voller Höhe so lange übernehmen, bis der vor geschaltete Leistungsschalter bei einfacher Einspei- sung oder die vorgeschalteten Leistungsschalter bei Mehrfacheinspeisung die Stromzuführung unterbre chen. Die Abschaltzeit dies oder der vorgeschalteten Leistungsschalter kann beliebig festgelegt werden.
Dabei sind lediglich die thermischen und dynamischen Wirkungen .des in den Leiterschienen der Anlage fliessenden Stromes zu berücksichtigen.
FüTdie Schaltvorrichtung können z.B. Draufschalter vorgesehen werden, wie sie in Hochspannungsver- suchsfeldern verwendet werden. Diese Draufschalter haben z. B. Eigenzeiten von 3 msee. Sie genügen also allen Anforderungen für das schnelle Kurz schliessen der Leiter. Es ist jedoch nicht notwendig, dass die vorgesehene Schaltvorrichtung mehrmalig zur Anwendung kommt.
Da die Fehlerfälle nicht zu häufig vorkommen, g nügt auch schon eine Schalt vorrichtung, die nur fär einen Schaltvorgang be messen ist und nach Behebung des Fehlers durch eine neue Schaltvorrichtung ersetzt wird.
Die Schaltvorrichtung zum Überbrücken steht in Abhängigkeit von einer Messvorrichtung, die z. B. entweder die erste Ableitung des Kurzschlussstromes nach der Zeit in den einzelnen Leitern oder eine andere Grösse erfasst, die das Auftreten eines Fehler stromes anzeigt.
Die Messvorrichtung kann also auch die erste Ableitung der Spannung nach. der Zeit, das Produkt aus der .ersten Ableitung des Stromes nach der Zeit und der ersten Ableitung der Spannung nach der Zeit oder die Anderung des Feldlinienbild'es zwi schen dien Leitern erfassen. Abgesehen von diesen rein elektrischen Messgrössen können auch die dyna mischen Kräfte,
die optische Auswirkung des Licht bogenstromes und seine Druckwirkung in der ihn umgebenden Luft als Messgrösse herangezogen werden. Je nach den Betriebsbedingungen ist es auch möglich, mehrere der genannten Messgrössen gleichzeitig zu verwenden. Zur Erfassung der optischen Wirkung kommen dabei z. B. Photozellen oder Photoelemente in Betracht, die gegen andere Lichteinwirkungen, z. B. Tages- oder künstliches Licht, abgeschirmt sind.
In der Zeichnung sind einige Ausführungsbeispiele der neuen Anordnung bei verschiedener Einspeisung und verschiedenen Sammelschienensystemen dar gestellt. Es zeigt: Fig. 1 ein Einfachsammelschienensyste.m mit einer Einspeiseleitung, Fig. 2 ein Einfachsammelschienensystem mit zwei Einspeiseleitungen, Fig. 3 ein Doppelsammelschienensystem mit zwei facher Einspeisung.
Der Hauptschalter 1 der Einspeiseleitung ist über den Trennschalter 2 mit der Sammelschiene S ver bunden. An die Sammelschiene S sind die einzelnen Abzweigleitungen <I>A und B</I> angeschlossen, und zwar der Abzweig A über den Trennschalter 3 und den Leistungsschalter 4 und der .andere Abzweig B über den Trennschalter 5 und .den Leistungsschalter 6.
Durch die senkrechten gestrichelten Linien wird an gedeutet, dass die Abzweige und Einspeisungen in Schaltzellen untergebracht sind. Im Zuge der Ver bindung zwischen dem Hauptschalter 1 und der Sammelschiene S ist die Messvorrichtung 7 ein geschleift. Diese Messvorrichtung erfasst z.
B. die erste Ableitung des Stromes nach der Zeit. Sie wirkt auf die Schaltvorrichtung 8 ein.
Bei Auftreten eines Kurzschlusses an der mit einem Pfeil bezeichneten Stelle im Abzweig A wächst der Strom in: der Verbindungsleitung zwischen Haupt schalter 1 und der Sammelschiene S plötzlich an.
Bei Erreichen eines bestimmten Wertes im Anstieg des Stromes löst die Messvorri'chtung 7 die Schaltvorrich tung 8 aus, die sofort alle drei Phasen der Einspeise- leitung miteinander verbindet, und zwar innerhalb dreier Halbwellen des Lichtbogen.stromes. Hierdurch bricht die Spannung an der Fehlerstelle im AbzweigA zusammen und der Lichtbogen, erlischt.
Nach der ein gestellten Auslösezeit des Schutzrelais 9 spricht der Hauptsch.al@ter 1 an und unterbricht die Einspeisung. Ist die Schaltvorrichtung 8 mit einer Wied''erausschalt- vorrichtung versehen, so wird nach dieser Zeit, also nachdem der Hauptschalter 1 geöffnet hat, der Kurz- schluss zwischen dien einzelnen Leitern der Einspei sung wieder aufgehoben.
Die Anlage nach der Fig. 2 unterscheidet sich von der Anordnung nach der Fig. 1 dadurch, dass zwei Einspeisungen vorhanden sind, die auf die gemein same SammeIsehiene S arbeiten, und zwar ist eine weitereEinspeisungmit d,emi#lau.ptschalter 10 und dem Trennschalter 11 vorgesehen.
Ferner liegt in der Zu- leitungizwischenderrvTrennsehalter 11 und der Sammel- schiene S eine weitere Messvorrichtung 12. Die Mess- vorrichtung 12 ist gleich. ausgeführtwie die Messvorrich- tung 7 und spricht z. B. ebenfalls auf die erste Ablei tung des Stromes nach der Zeit an.
Sowohl die Mess- vorrichtung 12 als auch die Messeinrichtung 7 wirken auf die Schaltvorrichtung 8 bei Erreichen eines be stimmten Wertes des Stromes ein, so dass die Schalt vorrichtung 8 sofort die drei Leiter dies Netzes kurz schliesst. Die Schaltvorrichtung 8 bleibt so lange ge schlossen, bis die beiden Hauptschalter 1 und 10 ihrerseits .den Energiezufluss unterbrochen haben.
In der Fig. 3 ist eine Schaltanlage mit zweifacher Einspeisung und Zweifachsammelschienensystem dar- gestellt. Die Abzweige <I>A</I> und<I>B</I> sind über je zwei Trennschalter 13, 14 und 15, 16 mit der Sammel schiene S, oder SII verbunden. Die Einspeisungen sind ebenfalls über je einen Trennschalter 17 bis. 20 mit den Sammelschienen verbunden.
Jede Einspeise leitung enthält eine Messvorrichtung 7, 12 mit je einer Schaltvorrichtung 8 und 21. Es ist also eine weitere Schaltvorrichtung erforderlich. Tritt z. B. im Abzweig A ein Fehler auf, so spricht bei der dar gestellten Schalterstellung die Messvorrichtung 12 an und löst ,allein die Schaltvorrichtung 21 aus, da von diesem Fehler die Sammelschiene SII nicht betroffen ist.
Es ist also ein unabhängiger Betrieb auf beiden Sammelschienen möglich. Sind alle Abzweige auf eine Sammelschiene geschaltet, so ist eine voll kommene Betriebsunterbrechung die Folge eines Fehlers.
Die Anordnungen nach den Fig. 1 bis 3 unter scheiden nicht, ob der Fehler in einer der Zellen oder in den von diesen Zellen abgehenden Leitungen auftritt. Bei einem Fehler in der abgehenden Leitung wird die entsprechende Schaltvorrichtung .ansprechen und damit der ganze über den zugeordneten Haupt schalter versorgte Teil der Anlage stromlos werden, obgleich es genügen würde, dass der betreffende Ab- zweigschalter in der Zelle ausgelöst wird.
Eine Be- tätigung des Kurzschlussschakers wäre bei einem derartigen Fehler also überflüssig. Dieser Nachteil kann durch zusätzliche Messglied'er und Schalteinrich- tungen zur überbrückung in den abgehenden Lei tungen behoben werden,
die mit dem jeweiligen Mess- glied für die Schaltvorrichtung nach Art eines selek tiven Schutzes zusammenarbeiten, und zwar derart, d'ass bei einem Fehler, z. B. ausserhalb einer Zelle, das Einlegen des Kurzschlussschalters der Einspeisung gesperrt ist. Hierdurch wird ein selektives Abschalten gewährleistet.
Wird der Hauptschalter der Einspeiseleitung für Kurztrennung ausgelegt, so darf :der Zyklus der Kurz- unterbrechung nur dann eingeleitet werden, wenn der Fehler auf einer der Speiseleitungen, d. h. hinter dem Leistungsschalter des Abzweiges, auftritt.
Arrangement to avoid inadmissibly high short-circuit arc energy in electrical systems Due to the constantly growing consumption of electrical energy, a compression of the networks and an increase in the number of transformer and switching stations has become necessary.
As a result, the short-circuit power in the individual systems also increases and, in the event of faults, high arcing currents occur, which pose a serious risk to the system and the operating personnel.
So far, the path has been taken to reduce the impact of arcing faults through the structural design of the switchgear cells and systems, but with very high short-circuit currents, the associated expense is no longer economically viable. These measures also do not reduce the arc energy itself, but only counteract its harmful consequences.
Attempts have also been made to reduce the cause of short-circuit arcs through the use of circuit breaker protection devices and other aids, but it is not possible to eliminate all possible faults that can lead to a short-circuit arc.
Short circuits caused by insulator and material defects as well as overvoltages can never be completely avoided.
The only option is therefore to extinguish the once ignited arc immediately as it arises. The energy converted in the arc is the product of the arc voltage, the arc current and the torch:
<I> A = </I> UL <I> '</I> JK <I>' t </I> (KW-sec.) At least one of the factors is to keep the product and thus the arc energy small to be added directly to the value zero. Now the factor ML can be reduced by
that a resistance is switched on parallel to the focal points of the arcing that is created, which is much smaller than the arc resistance. Suggestions made earlier to short-circuit parts of the system by upstream or downstream main switches were not satisfactory,
since such switches generally have switch-on times of more than 150 msec, so that including the relay times for the excitation of the short-circuit arc would only be extinguished after at least 200 msec.
Within such a time, however, a short-circuit can already be switched off by means of the selector protection and circuit breaker, with approximately <B> 100 </B> ursecs being achievable from the start to the complete switch-off.
The new arrangement avoids inadmissibly high short-circuit arcing energy between the. Conductors with each other or serve conductors and earth in electrical systems by
that a switching device, depending on a measuring device influenced by an arc short circuit, bridges the affected conductors within three half waves of this arc current in such a way that the arc is extinguished.
This bridging can take over the full amount of the short-circuit current until the upstream circuit breaker interrupts the power supply with a single feed or the upstream circuit breaker with multiple feeds. The switch-off time of this or the upstream circuit breaker can be set as desired.
Only the thermal and dynamic effects of the current flowing in the conductor rails of the system have to be taken into account.
For the switching device, e.g. Top switches are provided as they are used in high-voltage test fields. These top switches have z. B. proper times of 3 msee. So they meet all requirements for quick short-circuiting of the ladder. However, it is not necessary for the switching device provided to be used several times.
Since the error cases do not occur too often, a switching device is sufficient that is only measured for one switching operation and is replaced by a new switching device after the error has been corrected.
The switching device for bridging is dependent on a measuring device that z. B. recorded either the first derivative of the short-circuit current after the time in the individual conductors or another variable that indicates the occurrence of a fault current.
The measuring device can also use the first derivative of the voltage. the time, the product of the first derivative of the current with respect to time and the first derivative of the voltage with respect to time, or the change in the field line pattern between the conductors. Apart from these purely electrical measured values, the dynamic forces,
the optical effect of the arc current and its pressure effect in the air surrounding it can be used as a measured variable. Depending on the operating conditions, it is also possible to use several of the named measured variables at the same time. To detect the optical effect come z. B. photocells or photo elements into consideration, which against other light effects, z. B. daylight or artificial light are shielded.
In the drawing, some embodiments of the new arrangement with different feed and different busbar systems are presented. It shows: FIG. 1 a single busbar system with one feed line, FIG. 2 a single busbar system with two feed lines, FIG. 3 a double busbar system with two feeds.
The main switch 1 of the feed line is connected to the busbar S via the disconnector 2. The individual branch lines <I> A and B </I> are connected to the busbar S, namely branch A via the isolating switch 3 and the circuit breaker 4 and the other branch B via the isolating switch 5 and the circuit breaker 6.
The vertical dashed lines indicate that the branches and feeders are housed in switching cells. In the course of the connection between the main switch 1 and the busbar S, the measuring device 7 is looped. This measuring device detects z.
B. the first derivative of the current with respect to time. It acts on the switching device 8.
If a short circuit occurs at the point marked with an arrow in branch A, the current in: the connecting line between main switch 1 and busbar S suddenly increases.
When a certain value in the rise of the current is reached, the measuring device 7 triggers the switching device 8, which immediately connects all three phases of the feed line to one another, namely within three half-waves of the arc current. This causes the voltage to collapse at the fault in branch A and the arc extinguishes.
After the set tripping time of the protective relay 9, the main switch 1 responds and interrupts the feed. If the switching device 8 is provided with a reclosing device, then after this time, that is, after the main switch 1 has opened, the short circuit between the individual conductors of the feed is canceled again.
The system according to FIG. 2 differs from the arrangement according to FIG. 1 in that there are two feeds that work on the common busbar S, namely a further feed with the emitter switch 10 and the isolating switch 11 provided.
A further measuring device 12 is also located in the supply line between the rv isolating switch 11 and the busbar S. The measuring device 12 is identical. carried out as the measuring device 7 and speaks z. B. also on the first Ablei device of the current according to the time.
Both the measuring device 12 and the measuring device 7 act on the switching device 8 when a certain value of the current is reached, so that the switching device 8 immediately short-circuits the three conductors of this network. The switching device 8 remains closed until the two main switches 1 and 10 for their part have interrupted the flow of energy.
In FIG. 3, a switchgear with double feed and a double busbar system is shown. The branches <I> A </I> and <I> B </I> are each connected to the busbar S or SII via two isolating switches 13, 14 and 15, 16. The feeds are also each via a circuit breaker 17 to. 20 connected to the busbars.
Each feed line contains a measuring device 7, 12, each with a switching device 8 and 21. Another switching device is therefore required. Occurs z. B. in branch A on an error, so speaks in the switch position is provided the measuring device 12 and triggers, only the switching device 21, since the busbar SII is not affected by this error.
Independent operation is therefore possible on both busbars. If all feeders are connected to a busbar, a complete interruption of operation is the result of an error.
The arrangements according to FIGS. 1 to 3 do not distinguish whether the fault occurs in one of the cells or in the lines going out from these cells. In the event of a fault in the outgoing line, the corresponding switching device will respond and the entire part of the system supplied via the associated main switch will be de-energized, although it would be sufficient for the relevant branch switch in the cell to be triggered.
An actuation of the short-circuit chaker would therefore be superfluous in the event of such an error. This disadvantage can be remedied by additional measuring elements and switching devices for bridging in the outgoing lines,
which cooperate with the respective measuring element for the switching device in the manner of a selective protection, namely in such a way that in the event of a fault, e.g. B. outside a cell, the insertion of the short-circuit switch of the feed is blocked. This ensures selective shutdown.
If the main switch of the feed line is designed for short disconnection, then: The short break cycle may only be initiated if the fault occurs on one of the feed lines, i. H. behind the circuit breaker of the feeder.